(57)【要約】【解決手段】本発明は、運動エネルギーを貯蔵するための装置に関しており、装置はハウジング(10)にフライホイール(18)を備えている。フライホイール(18)は軸(16)を介してハウジング(10)に取り付けられている。エネルギーを貯蔵してエネルギーを回収するためにモータ−発電機ユニット(22)が設けられている。効率を高めるために、内部(14)の内容物を排出するための真空ポンプ(24)がハウジング(10)に配置されている。真空ポンプ(24)は軸(16)に配置されている。
2019502048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動エネルギーを貯蔵するための装置であって、
ハウジング(10)の内部(14)に配置されているフライホイール(18)と、
前記フライホイール(18)に連結されて、前記ハウジング(10)内に支持されている軸(16)と、
前記フライホイール(18)を駆動してエネルギーを回収するためのモータ−発電機ユニット(22)と、
前記内部(14)の内容物を排出すべく前記ハウジング(10)に設けられている真空ポンプ(24)と
を備えており、
前記真空ポンプ(24)は前記軸(16)に配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記真空ポンプ(24)は別個の構成要素として前記軸(16)に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記真空ポンプ(24)は、ターボ分子ポンプ段(40)と、流れ方向(26)に前記ターボ分子ポンプ段(40)の下流側に配置されているホルベック段、ゲーデ段又はシーグバーン段のようなガス摩擦圧縮機(42)とを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記ターボ分子ポンプ段(40)は大きな圧力範囲を有するポンプであり、好ましくは20mbarから好ましくは10-5mbar未満の圧縮、特には10-1mbarから好ましくは10-5mbar未満の圧縮を行うことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記真空ポンプ(24)は、外側ケーシング(46)の内側に少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記外側ケーシング(46)は繊維強化プラスチック材料を含んでいることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記外側ケーシング(46)は前記フライホイール(18)又は前記ハウジング(10)に連結されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
前記外側ケーシング(46)は、前記真空ポンプ(24)のロータディスク(44)を支持していることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記外側ケーシング(46)は、前記真空ポンプ(24)のステータディスク(50)を支持していることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記真空ポンプ(24)は、内側ケーシング(52)の外側に少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記内側ケーシング(52)は前記ハウジング(10)又は前記軸(16)に連結されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記内側ケーシング(52)は繊維強化プラスチック材料を含んでいることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記内側ケーシング(52)は、前記真空ポンプ(24)のロータディスク(44)を支持していることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記内側ケーシング(52)はステータディスク(50)を支持していることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記真空ポンプ(24)は、前記外側ケーシング(46)と前記内側ケーシング(52)との間に少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ターボ分子ポンプ段(40)は、前記ホルベック段(42)を少なくとも部分的に囲んでいることを特徴とする請求項３〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記フライホイール(18)は、前記真空ポンプ(24)を少なくとも部分的に囲んでいることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
運動エネルギーを貯蔵するための装置であって、
ハウジング(10)の内部(14)に配置されているフライホイール(18)と、
前記フライホイール(18)に連結されて、前記ハウジング(10)内に支持されている軸(16)と、
前記フライホイール(18)を駆動してエネルギーを回収するためのモータ−発電機ユニット(22)と、
前記内部(14)の内容物を排出すべく前記ハウジング(10)に設けられている真空ポンプ(24)と、
ハウジング出口(30)に連結されているバッキングポンプ(38)と
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項１９】
バッファチャンバ(34)が、前記ハウジング出口(30)と前記バッキングポンプ(38)との間に設けられていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記真空ポンプ(24)は、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の真空ポンプ(24)であることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動エネルギーを貯蔵するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に再生エネルギー源の割合の増大により、電源網に激しい変動が存在するため、連続的な電力供給が場合によっては保証されない。このような供給変動を補うために、エネルギーを貯蔵する装置が必要である。エネルギーを貯蔵するために、フライホイールを設けることが知られている。このようなフライホイールは軸に配置されて、モータ−発電機ユニットに連結されている。モータ−発電機ユニットを使用して、一方ではフライホイールを駆動することが可能であり、他方ではエネルギー回収のために回転するフライホイールを使用することが可能である。エネルギー貯蔵の効率は主にシステム自身のエネルギー需要によって決まる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば独国特許出願公開第102012110691号明細書から、フライホイールをハウジング内に配置してハウジング内に真空を生成することが知られている。運動エネルギーを貯蔵するための装置の効率は、真空の生成により増加する。独国特許出願公開第102012110691号明細書は、フライホイールの部品を直接真空ポンプとして設計することを提案している。このために、フライホイールの表面に溝状のチャネルが設けられているため、フライホイールは、シリンダ側ではホルベック段のロータと同様に作動する一方、前端部側ではシーグバーン段として作動する。このような配置では、フライホイールが配置されているハウジング内に低真空又は非常に低い圧力を生成することが不可能である。しかしながら、装置の効率は圧力の低下によって改善され得る。
【０００４】
独国特許出願公開第102012110691号明細書に記載されている運動エネルギーを貯蔵するための装置は、フライホイールの高い回転速度、ひいては回転体の膨張によって生じる遠心力が非常に大きいという不利点を更に有する。このような遠心力は速度に左右されるため、搬送するねじ山のチャネルが設けられているホルベック段でフライホイールの隙間比にも影響を及ぼす。従って、ロータとステータとの接触による損傷を回避するために、チャネル網に比較的大きな密閉隙間を設けることが必要である。そのため、ポンプの効率が低下する。
【０００５】
更に、独国特許出願公開第102012110691号明細書における欠点は、ロータの表面の領域の多くにチャネルを設けることである。このポンプ機構は摩擦真空ポンプである。従って、効率を高めるために摩擦が実際には回避されるべき領域に摩擦が生じる。
【０００６】
本発明は、運動エネルギーを高い効率で貯蔵するための装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的は、本発明によれば請求項１及び１６の特徴により夫々解決される。
【０００８】
運動エネルギーを貯蔵するための装置はフライホイールを備えている。フライホイールがハウジングの内部に配置されており、ハウジングは、例えばハウジング本体及びハウジングカバーを有している。軸がフライホイールに連結されている。軸は、ハウジング内に間接的又は直接的に支持されている。装置のエネルギー消費が減少して、ひいては効率が高まることが可能であるので、磁気軸受を使用して支持することが特に好ましい。更に、運動エネルギーを貯蔵するための装置はモータ−発電機ユニットを備えている。モータ−発電機ユニットは、一方ではフライホイールを駆動して、他方ではエネルギーを回収する役目を果たす。モータ−発電機ユニットは、同一の構成要素がモータ及び発電機の両方の役目を果たすようなユニットであってもよい。場合によっては、これらは別個の構成要素であってもよい。更に、真空ポンプが内部の内容物を排出すべくハウジングに配置されている。この真空ポンプは、好ましくは、送られるガスをバッキングポンプに運んで、バッキングポンプは、その後このガスを大気に対して圧縮する。本発明によれば、このエネルギー貯蔵装置が、翼の形態を有するターボ軸流圧縮機と、好ましくはホルベック段、ゲーデ段又はシーグバーン段の形態のガス摩擦圧縮機とによって形成された真空ポンプを備えており、この真空ポンプがフライホイールの軸に配置されていることが特に好ましい。このような構成により、本発明によれば、より低い遠心力がフライホイールに関係なく真空ポンプの構成要素に作用するという利点がある。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態では、真空ポンプは別個の構成要素として形成されており、軸に配置されている。特に、真空ポンプの必須の構成要素がこのようにフライホイールの一部ではないため、真空ポンプのこれらの構成要素に作用する遠心力が比較的小さな変形を生じさせるか、又は真空ポンプの効率がこのような変形によってできるだけ影響を受けないように、真空ポンプのこれらの構成要素を、好ましくは構成、配置、使用される材料などに関して構成することが可能である。具体的には、この実施形態では、真空ポンプは別個の構成要素として構成されており、軸に配置されているため、真空ポンプに作用する遠心力が軸への配置により低下し、更に真空ポンプの構成が作用する遠心力に対応して改善され得るという利点がある。
【００１０】
特に好ましい実施形態では、真空ポンプは外側ケーシングの内側に少なくとも部分的に配置されている。ここで、外側ケーシングは、好ましくは繊維強化プラスチック材料から形成されているか、又は繊維強化プラスチック材料を含んでいる。このため、重量が軽いまま、高い安定性を達成することができるという利点がある。従って、外側ケーシングは、真空ポンプの構成要素の配置を高い遠心力であっても可能な限り正確に維持するという役目を果たすため、真空ポンプが高効率を有するか、又は遠心力の効率性はほとんど影響を受けない。
【００１１】
好ましい実施形態では、真空ポンプは外側ロータとして構成されている。この実施形態では、外側ケーシングはフライホイールに連結されているか、又はフライホイールによって支持されている。真空ポンプの搬送要素、特にロータディスクが外側ケーシングに連結されている。この点について、例えば、ターボ分子ポンプ段の複数のロータディスクが設けられてもよく、例えば、リング要素が、ロータディスク間の距離を定めるべくロータディスク間に配置されている。相応して、この実施形態では、ステータディスクのような更なる搬送要素が設けられている。ステータディスクは回転しないので、ステータディスクは、例えばキャリア要素によってハウジングに連結されている。ステータディスクは更に個々のディスクであってもよく、ステータディスク間の距離が、ステータディスク間に配置されたリング要素によって定められている。
【００１２】
特に好ましい実施形態では、内側ケーシングが設けられており、真空ポンプは内側ケーシングの外側に少なくとも部分的に配置されている。外側ロータと共に、内側ケーシングはハウジングに間接的又は直接的に連結されており、内側ケーシングは、この場合、特にステータディスクのような真空ポンプの固定要素を支持していることが好ましい。
【００１３】
好ましい展開例では、内側ケーシングは軸から間隔をあけて設けられてもよい。特に好ましい実施形態ではホルベック段である更なるポンプ段がこの空間に配置されてもよい。
【００１４】
本発明の別の好ましい実施形態では、外側ケーシングは、ハウジング、特にハウジングカバーに連結されている。この実施形態では、真空ポンプの非回転要素、特にステータディスクが外側ケーシングに連結されてもよい。この実施形態では、ロータディスクのような回転要素は、好ましくは軸に連結されている。この場合、連結は直接連結であってもよい。好ましい実施形態では軸に連結されて、ロータディスク又は別の構成のロータ要素を支持する内側ケーシングを設けることが更に可能である。
【００１５】
多段式真空ポンプでは、この実施形態でも、更なる段が、例えば軸と軸から間隔をあけて設けられている内側ケーシングとの間に、つまり軸と内側ケーシングとの間に設けられてもよい。好ましい実施形態では、この更なるポンプ段はホルベック段である。
【００１６】
真空ポンプが外側ロータ又は内側ロータとして構成されているかに関係なく、二段式真空ポンプ又は多段式真空ポンプを設けることが特に好ましい。特に二段式真空ポンプを設ける場合、第１段をターボ分子ポンプ段として構成して、第２段をホルベック段、ゲーデ段又はシーグバーン段として構成することが好ましい。ポンプのタイプに関係なく、この第２段は、流れ方向に見て第１段の下流側に配置されていることが好ましい。上流側のターボ分子ポンプ段は更なる圧力低下を可能にし、これはフライホイールの効率に有利である。
【００１７】
動作中、つまり、ハウジングの内部の内容物を最初に排出した後、及びそれ以降、少量のガスのみが、技術用語でワイドレンジポンプ又は複合ポンプとも称されるこの組合せポンプに入る。この少量のガスによる圧力の上昇が、実質的に漏れのみにより引き起こされる。結果として、複合ポンプのバッキングポンプは動作中、一時的に動作を停止してもよく、それによって、運動エネルギーを貯蔵するためのシステム全体の効率が更に高められる。この段階で、複合ポンプは複合ポンプの最大許容バッキング圧力に達するまで、閉じたバッキングポンプに対して圧縮することにより、高い真空側圧力が再度上昇する。この場合、バッキングポンプは、バッキング圧力を再度下げて最適条件下でシステムを作動させるように再度起動する必要がある。
【００１８】
回転翼、スクロール又はスクリュー式ポンプは、複合ポンプが必要とする圧力より低いバッキング圧力を生じさせることにより一時的な動作停止を可能にするので、バッキングポンプとして特によく適している。この点について、前述したように、比較的高い圧力がケーシングの内部にあるときのみ、バッキングポンプが作動することが好ましい。
【００１９】
特に好ましい展開例では、バッファチャンバがハウジング出口とバッキングポンプとの間に設けられている。このバッファチャンバにバッファ体積が存在してもよく、そのため、複合ポンプは、許容バッキング圧力に達するまで、このバッファ体積にガスを送ることができる。このようにして、バッキングポンプの作動段階を短くすることができる。
【００２０】
このように、本発明は、バッキングポンプが軸に配置される必要がないが、ハウジング出口が真空ポンプに連結されている、運動エネルギーを貯蔵するための装置に更に関する。この装置の好ましい展開例では、バッファチャンバが真空ポンプの出口とバッキングポンプとの間に配置されている。
【００２１】
使用される真空ポンプは上述したように構成されていることが特に好ましい。
【００２２】
本発明を、好ましい実施形態及び添付図面を参照してより詳細に以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】運動エネルギーを貯蔵するための装置の好ましい実施形態を示す断面略図である。
【図２】図１の領域IIに配置されている真空ポンプを示す拡大略図である。
【図３】運動エネルギーを貯蔵するための装置の更に好ましい実施形態を示す断面略図である。
【図４】図３の領域IVに配置されている真空ポンプを示す拡大略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
運動エネルギーを貯蔵するための概略的に示された装置は、ハウジング基部12及びハウジングカバー15を有するハウジング10を備えている。ハウジング10は、環境に対して密閉されているため内容物を排出可能な内部14を画定している。軸16がハウジング10内に配置されており、軸16は、フライホイール18を支持しているか、又はフライホイール18と一体に形成されている。図示されている実施形態では、軸16は、軸受20を介してハウジング基部12及びハウジングカバー15に夫々支持されている。好ましい実施形態では、軸受20は磁気軸受である。
【００２５】
モータ−発電機ユニット22を使用して、一方ではエネルギーを貯蔵するためにフライホイールを駆動することが可能であり、他方では、モータ−発電機ユニット22を発電機として使用すると、エネルギーを回収すべくフライホイールを使用することが可能である。
【００２６】
運動エネルギーを貯蔵するための装置の効率を高めるために、内部14の内容物を排出する。このために、真空ポンプ24が軸16に配置されており、つまり、内部14の内側の中央部分に配置されており、この真空ポンプ24は、説明のために図２に拡大して示されている。真空ポンプ24を使用して、内部14に存在するガスがハウジング出口30を通って矢印26, 28の方向に搬送される。
【００２７】
効率を更に高めるために、バッファチャンバ34が概略的に示されているライン32を介してハウジング出口30に連結されており、バッキングポンプ38が更に概略的に示されているライン36を介してバッファチャンバ34に連結されている。バッキングポンプ38は大気に対してガスを送る。
【００２８】
特に、真空ポンプ24を設けることにより、特に10-4mbar未満の低い真空圧力を内部14に生成することが可能である。上流側の真空ポンプ24が大気に対してガスを送ることができないので、バッキングポンプ38を設けることが必要である。動作中、真空ポンプ24に許容可能なバッキング圧力を超過しない限り、バッキングポンプ38はほとんどの時間、動作を停止してもよい。例えば漏れのため、少量のガスのみが内部14に達するので、このようなバッキングポンプ38の動作停止が可能である。
【００２９】
バッキングポンプ38が真空を生成するバッファチャンバ34の介在によって、バッキングポンプ38の起動、ひいてはエネルギーの消費が動作中に回避され得るので、効率を更に高めることが可能である。
【００３０】
図１及び２に示されている実施形態では、真空ポンプは、ターボ分子ポンプ段40と、流れ方向におけるターボ分子ポンプ段40の後のホルベック段42とを備えている。このホルベック段は、独国特許出願公開第102012110691号明細書に記載されているようなシーグバーン段とすることも可能である。図示されている実施形態では、ターボ分子ポンプ段40は外側ロータである。この点について、図示されている実施形態ではターボ分子ポンプ段40のロータディスク44が外側ケーシング46に連結されている。環状のスペーサ48が個々のロータディスク44間に配置されている。従って、個々のロータディスク44は外側ケーシング46に固定されている。特に繊維強化ケーシングであるケーシングは、フライホイール18（図１）に固定して連結されている。例えば円筒状のCFC 管として構成されている外側ケーシング46を設けることにより、真空ポンプ24に対する遠心力の影響が弱められる。
【００３１】
ターボ分子ポンプ段40は、内側ケーシング52に連結されているステータディスク50を更に有している。ステータディスク50間の距離は環状のスペーサ54によって定められている。内側ケーシング52は、ハウジング10（図１）及びハウジングカバー15に夫々固定して連結されている。内側ケーシング52は炭素繊維で補強されてもよく、又はCFC 管として構成されてもよい。しかしながら、内側ケーシング52が固定されて回転部分を含まないので、このような構成は最終的にはこの実施形態では必要ではない。
【００３２】
図１及び図２に示されている本発明の好ましい実施形態では、ホルベック段42（任意にはシーグバーン段又はゲーデ段）がターボ分子ポンプ段40の下流側に配置されている。この実施形態では、ホルベック段は、完全にターボ分子ポンプ段40の径方向に配置されている。概略的に図示されているホルベック段42は、図示されている実施形態では外ねじとして構成されている。言うまでもなく、ホルベック段42は内ねじを更に有することが可能である。好ましくは図示されている実施形態ではねじ山を有するホルベック段の内部の構成要素56が軸16（図１）に固定して連結されている。
【００３３】
ターボ分子ポンプの作動のために、ホルベック段の内部の構成要素56及びロータディスク44は、軸16及びフライホイール18への夫々の連結により駆動される。
【００３４】
図３及び図４に示されている更に好ましい実施形態では、同様の構成要素又は同一の構成要素が同一の参照番号によって特定されている。フライホイール18及びモータ−発電機ユニット22を用いたエネルギー貯蔵及びエネルギー回収の原理は、図１に関して記載されている原理に相当する。
【００３５】
ハウジング出口30がバッキングポンプ38、任意には更にバッファチャンバ34に連結されていることが同様に好ましい。２つの実施形態では、ハウジング10の内部14に配置されている真空ポンプ24の構成が異なり、真空ポンプ24は図４に拡大して示されている。
【００３６】
この実施形態で使用されている真空ポンプ24（図４）も、ターボ分子ポンプ段40と、流れ方向26にターボ分子ポンプ段40の下流側に配置されているホルベック段42（任意にはシーグバーン段又はゲーデ段）とを有している。図示されている実施形態では、ターボ分子ポンプ段40は内側ロータとして構成されている。相応して、ロータディスク44は内側ケーシング52に固定して連結されている。内側ケーシング52は軸16に固定して連結されている。
【００３７】
ステータディスク50は、スペーサリング48によって外側ケーシング46に固定して連結されている。外側ケーシング46はハウジングカバー15に固定して連結されている。
【００３８】
ホルベック段42は、流れ方向26にターボ分子ポンプ段40の下流側に配置されている。図示されている実施形態ではホルベック段42が内ねじを有するように、ホルベック段42は、好ましくはねじ山を有する構成要素56を備えている。同様に、ホルベック段42は外ねじを更に有することが可能である。
【００３９】
この実施形態では、回転要素を支持する内側ケーシング52が炭素繊維強化材料を有しているか、又はCFC 管として構成されていることが好ましい。
【００４０】
ケーシング52, 46を設ける代わりに、ターボ分子ポンプ段40及び／又はホルベック段42を対応する構成要素、つまりハウジング10及びフライホイール18夫々、又は軸16に直接連結することが更に可能である。このような構成は、一方では構成要素の数が減り、他方では対応するケーシングを設けることにより真空ポンプに対する遠心力の影響が除かれ得るという利点を有する。
【００４１】
しかしながら、ケーシング52, 46を設けることにより、真空ポンプを予め組み立てることができ、予め組み立てられたユニットとしてエネルギー貯蔵装置に設置することが可能であるという利点がある。
【図１】
2019502048.tif 000003
【図２】
2019502048.tif 000004
【図３】
2019502048.tif 000005
【図４】
2019502048.tif 000006
【国際調査報告】
2019502048.tif 000007
2019502048.tif 000008
2019502048.tif 000009
2019502048.tif 000010